ВНУТРЕННЯЯ МОЛНИЕЗАЩИТА. Часть 2 (импульсные перенапряжения)

Помимо рассмотренного в предыдущей публикации заноса высокого потенциала, разряд молнии приводит также к возникновению такого вторичного эффекта, как наведенное напряжение. В силу законов физики наведенное напряжение возникает на всех проводящих поверхностях, которые попадают под действие переменного электромагнитного поля молнии.

Это может приводить к появлению в электрических коммуникациях внутри дома микросекундных импульсов перенапряжений с амплитудой до десяти и более киловольт.  Поэтому так важно организовывать систему внутренней молниезащиты дома.

НАВЕДЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ. ИМПУЛЬСЫ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Во время разряда по каналу молнии со скоростью в сотни тысяч км/с движутся заряженные частицы, создавая переменное электромагнитное поле. В попавших под действие этого поля проводниках возникает электродвижущая сила (эдс) электромагнитной индукции ε_i. Если проводник образует замкнутый контур, то эдс приведет к появлению в нем индукционного тока. В противном случае на концах проводника возникнет равная эдс разность потенциалов.

Величина эдс зависит от скорости изменения силы тока в канале молнии, которая может превышать значение 5·10⁹ А/с. Поэтому разряд молнии приводит к возникновению в электрических коммуникациях импульсов перенапряжения длительностью от десятков до сотен микросекунд, имеющих амплитуду тока до сотни килоампер и амплитуду напряжения в десятки киловольт. Такой импульс способен нанести непоправимый ущерб расположенному внутри здания электрооборудованию.

Даже при установленной на здании внешней молниезащите во время отвода тока от молниеприемника до заземляющего устройства по наружному токоотводу на идущем параллельно ему внутри здания электрическом кабеле индуцируется импульс перенапряжения довольно значительной амплитуды. К тому же, подобный импульс может попасть в дом по идущим туда электрическим подземным коммуникациям при растекании разряд молнии от молниезащитного заземления или «зайти» с расстояния в несколько километров по воздушной линии электроснабжения при попадании молнии в нее или рядом с ней.

От микросекундного разрушительного воздействия таких наведенных или занесенных импульсов перенапряжения в электрических коммуникациях здания электронику не защитят ни автоматические выключатели, ни УЗО. Для этой цели предназначены специальные устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) со временем срабатывания в наносекундном диапазоне.

Для разработки и оценки надежности устройств внутренней молниезащиты принято использовать моделирующие импульсы тока двух типов:  8/20 мкс и 10/350 мкс.

В первом случае это импульс с длительностью нарастания переднего фронта 8 мкс и длительностью спада по полувысоте 20 мкс. Подобными характеристиками моделируют воздействие затухающего удаленного прямого удара молнии в линию электропередач или непрямого удара (включая и межоблачные разряды). А также возникающие в системах электроснабжения коммутационные всплески перенапряжения (переключение трансформаторов, отключение разъединителей или защитных автоматов и т.д.) и создаваемые оборудованием самих потребителей паразитные наводки (запуск моторов, работа сварочного аппарата и т.д.).

Во втором случае длительность нарастания переднего фронта импульса составляет 10 мкс, а время спада по полувысоте - 350 мкс. Такими характеристиками описывается воздействие при попадании разряда молнии в молниеприемник внешней молниезащиты или в воздушную линию электроснабжения – в месте удара или на расстоянии несколько десятков метров от него. Максимальное значение тока в импульсе 10/350 мкс I_imp выбирается в зависимости от уровня защиты здания.

При расчетах исходят из предположения, что в здание «зайдут»  50% от I_imp импульса 10/350 мкс. Жилые дома относятся к ІІІ классу защиты, для которого принимается I_imp = 100 кА, то есть считается, что в здание попадет 50 кА –  разделившись между подземными коммуникациями проводами, трубами, заземлением и т.д. или провдами воздушного ввода электропитания. Поэтому после грозы даже при наличии защитного заземления может, например, сгореть  электроника управления электрокотлом.

То есть, грамотно и качественно выполненная система внешней молниезащиты с соблюдением всех действующих нормативов при монтаже молниеприемников, токоотводов и заземления выполняет функцию только по сохранению от повреждения ударом молнии здания, но не электрооборудования внутри него. Поэтому при организации внутренней молниезащиты используется концепция выделения для защищаемого здания соответствующих зон защиты.

КОНЦЕПЦИЯ ЗОННОЙ ЗАЩИТЫ

Для защиты электрооборудования и электроники от импульсов перенапряжения, как «заходящих» в дом так возникающих внутри здания применяется концепция зонной защиты. Суть ее заключается в последовательном снижении импульсного перенапряжения при переходе в следующую зону молниезащиты LPZ (Lightning Protection Zone). Каждая последующая зона выделяется в пределах предыдущей. То есть они «вставлены» одна в другую подобно матрешкам. На границах LPZ устанавливают УЗИП, которые снижают величину импульса перенапряжения до приемлемого для находящегося в данной зоне электрооборудования.

В соответствии с международными стандартами IEC 61312-1, IEC 62305-4 (ДСТУ EN 62305-4:2012, ) и DIN VDE V 0185-4 определяют четыре зоны: одну внешнюю по отношению к зданию, которая имеет две (три) подзоны, и три – внутри здания.

• LPZ 0_А – Не имеющая никакой защиты область вне здания, которая подвергается непосредственному воздействию разряда (канала) молнии и генерируемого при этом электромагнитного излучения.
• LPZ 0_В – Защищенная системой внешней молниезащиты область вне здания, которая подвергается воздействию только генерируемого при разряде молнии электромагнитного излучения.
• LPZ 0_С – Зона шириной и высотой 3 м вокруг здания, в которой существует опасность для жизни, обусловленная попаданием под шаговое напряжение или прикосновением к проводнику при стекании и растекании тока молнии в грунте (выделяется стандартами IEC 62305-4 и DIN VDE V 0185-4).
• LPZ·1 – Защищенная от непосредственного воздействия разряда молнии внутренняя часть помещения. В ней воздействие на токопроводящие элементы электромагнитного поля молнии за счет экранирующих свойств строительной конструкции самого здания существенно ниже, чем в LPZ 0.
• LPZ 2 – Область внутри помещения с повышенными требованиями к защите, что предполагает последующее снижение по сравнению с LPZ 1 влияния электромагнитного поля молнии.
• LPZ 3 – Область внутри помещения, оборудование в которой требует наибольшей защиты от импульсных перенапряжений. Как правило, это конечный потребитель (даже может быть проводящий корпус конкретного устройства).

Конкретная величина допустимого уровня импульсного перенапряжения определяется свойствами размещенного в здании электрооборудования и электроники.

Реализация концепции зонной защиты осуществляется установкой на границе зон соответствующих УЗИП, которые понижают до приемлемой величины амплитуду импульсов перенапряжения. Так как следующая зона находится внутри предыдущей, то УЗИП образуют каскад, при помощи которого импульсное перенапряжение снижается ступенчато на границах зон.